MEMS熱風(fēng)速計(jì)的封裝.pdf

1、風(fēng)速傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了很長的歷史。從最初的純機(jī)械裝置到現(xiàn)在使用CMOS+MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的熱風(fēng)速傳感器,MEMS熱風(fēng)速傳感器芯片已經(jīng)相對成熟。因此對MEMS熱風(fēng)速傳感器的封裝技術(shù)研究變得很有必要。由于MEMS傳感器結(jié)構(gòu)的特殊性,它的封裝難度要比集成電路大。尤其是測量風(fēng)速風(fēng)向的傳感器,對它的封裝除了基本的保護(hù)芯片結(jié)構(gòu)和可靠的電氣連接功能以外,還要求芯片能夠與被測量的物理環(huán)境充分的接觸。包括作者所在的實(shí)驗(yàn)室在內(nèi),國內(nèi)外的眾多科研機(jī)構(gòu)都圍繞著

2、這個(gè)課題做了大量的工作。本文首先總結(jié)了目前MEMS熱風(fēng)速傳感器的封裝現(xiàn)狀,分析了它們各自存在的優(yōu)缺點(diǎn)。針對所要封裝的風(fēng)速傳感器芯片,在了解芯片的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了三種封裝結(jié)構(gòu)：采用引線鍵合工藝實(shí)現(xiàn)的封裝、采用倒裝焊工藝實(shí)現(xiàn)的封裝和將傳感器芯片與后續(xù)的信號處理電路一體封裝的電路集成封裝。由于芯片采用熱導(dǎo)率較高的陶瓷薄片作為襯底,三種封裝結(jié)構(gòu)都采用芯片背面作為與流體接觸的感風(fēng)面。與現(xiàn)有的MEMS熱風(fēng)速傳感器封裝結(jié)構(gòu)相比,這既對芯片的正面進(jìn)行了

3、必要的保護(hù)又減少了使用額外過渡基板的熱損耗,對于減小傳感器功耗和提高傳感器的靈敏度都有積極意義。本文提出的三種封裝結(jié)構(gòu)中前兩種是針對芯片本身的單體封裝,而第三種結(jié)構(gòu)集成了處理電路完成了系統(tǒng)的功能。 ⑴采用ANSYS-CFX軟件成功的解決了傳感器芯片熱分析過程中存在的流-固耦合模擬精度不夠的問題,較為精確的實(shí)現(xiàn)了對傳感器芯片和封裝結(jié)構(gòu)的熱分析。同時(shí)也給出了使用該軟件進(jìn)行流-固耦合模擬的一般方法和流程。論文對封裝前后的傳感器芯片風(fēng)速

4、和風(fēng)向性能進(jìn)行了仿真模擬,模擬結(jié)果與理論吻合。 ⑵針對提出的封裝結(jié)構(gòu),進(jìn)行了相關(guān)封裝工藝的實(shí)驗(yàn),其中主要討論倒裝焊工藝。利用SEC-850熱壓焊機(jī),經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)得到了成熟的工藝參數(shù),保證了倒裝焊較高的成功率。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行電路集成封裝實(shí)驗(yàn)。論文從最小化封裝體積角度出發(fā),采用ABS工程塑料設(shè)計(jì)制作了電路集成封裝所需的管殼。另外,從綠色封裝的角度出發(fā)進(jìn)行了各向異性導(dǎo)電膠的嘗試性試驗(yàn),雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果不是很理想,但是論文對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了

5、合理的分析,以期對以后這方面的工作有所幫助。 ⑶在恒功率控制模式下對電路集成封裝后的傳感器芯片風(fēng)速和風(fēng)向兩方面的性能進(jìn)行了大量反復(fù)測試。論文采用三角函數(shù)測試法進(jìn)行風(fēng)向測試；對于風(fēng)速,論文基于熱損失和熱溫差兩種原理進(jìn)行了測試。從測試結(jié)果可以看出,封裝后的芯片仍然能夠按照原來的工作原理運(yùn)行,并且和理想情況吻合；芯片的滯回特性也相當(dāng)穩(wěn)定。由于傳感器本身工作原理上的限制,測試得到的風(fēng)速量程是8m/s,風(fēng)向測試范圍為360°.最大誤差控制

6、在6％以內(nèi)。為了考察封裝結(jié)構(gòu)對傳感器性能的影響,論文對封裝前的芯片做了相應(yīng)的測試。從封裝前后的測試數(shù)據(jù)看,封裝結(jié)構(gòu)對芯片檢測精度上影響很小,雖然降低了芯片的靈敏度但仍然能夠達(dá)到預(yù)訂指標(biāo)。最后文章將測試得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行了比較,兩者吻合較好,說明了軟件模擬的精確和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠。 ⑷提出采用后成型塑料封裝方法實(shí)現(xiàn)這兩種結(jié)構(gòu),并且按照集成電路封裝標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行了尺寸設(shè)計(jì),為后續(xù)工作打下基礎(chǔ)。對于電路集成封裝結(jié)構(gòu),未來的工作在于